崑 山 科 技 大 學

電子工程系二技部

專 題 研 究 報 告

氧化鋅薄膜摻雜鋁之特性研究

學生：梁書豪

黃志偉

指導教授： 黃文昌 老師

中 華 民 國 九 十 五 年 五 月

電崑

子山

系科

二技

技大

部學

氧

化

鋅

薄

膜

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雜

鋁

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性

研

究

梁黃

書志

豪偉

撰

九

十

五

年

五

月

摘 要

本研究是以熱蒸鍍法沈積氧化鋅與鋁於康寧玻璃基板上，以製作透明

導電膜。之後再將晶片以不同溫度退火。再以 XRD，AES，SEM 與拉

曼光譜分析。

目 錄

摘要 .................................................... 1

總目錄………………………………………………………………… 4

第一章 導 論 ........................................... 6

1.1 研究動機 ........................................ 6

1.2 氧化鋅薄膜 ………………………………………………… 7

1.3 薄膜成長機制 ……………………………………………… 9

第二章 蒸鍍機原理與構造

2.1 蒸鍍機原理 ………………………………………………… 12

2.2 膜厚監視器 ………………………………………………… 15

2.3 真空系統 ………………………………………………… 15

第三章 製程步驟

3.1 玻璃基板裁切 …………………………………………… 16

3.2 基板清洗 ………………………………………………… 16

3.3 蒸鍍 ……………………………………………………… 17

3.4 退火 …………………………………………………… 18

3.5 材料分析 ………………………………………………… 20

第四章 特基接觸原理介紹

4.1 蕭特基二極體 ……………………………………………… 22

4.2 蕭特基接觸 ………………………………………………… 23

4.3 蕭特基接觸 I-V特性原理 ………………………………… 27

第五章 參考資料 ………………………………………………… 29

圖表目錄

圖一 氧化鋅晶格…………………………………………………… 4

圖二 薄膜成長機制………………………………………………… 6

圖三 蒸鍍機內部結構示意圖……………………………………… 8

圖四 蒸鍍機結構示意圖…………………………………………… 9

圖五 玻璃基板裁切示意圖……………………………………… 11

圖六 氧化鋅摻雜鋁於玻璃基板示意圖1……………………… 12

圖七 氧化鋅摻雜鋁於玻璃基板示意圖2……………………… 13

圖八 晶片以不同溫度退火示意圖…………………………… 15

圖九 摻雜氧化鋅和鋁於磷化銦基板上做為二極體………… 17

圖十 金半接面二極體能障示意圖…………………………… 19

圖十一 N型與P型半導體能障示意圖…………………………… 20

.

.

第一章 緒論

1-1 研究動機

電產業的快速發展，各種材料不斷被開發，而透明導電膜

(transparent conducting oxide，TCO)是近年來產業應用最多的新

材料。其被廣泛的運用於光電產業，如聲光感測器，太陽能電池，平

面顯示器(Flat Panel Display, FPD)，包括液晶平面顯示器(Liquid

Crystal Display, LCD)，電漿顯示器(Plasma Display

Panel,PDP )....等。而隨著透明導電膜的多方面的應用，更顯示出

其重要性。

1-2.氧化鋅薄膜

透電膜依種類來分，可分為薄金屬膜和金屬氧化物薄膜。而薄金屬膜

導電效率易受到表面效應的影響，且薄金屬膜在膜厚大於100Å時，常

造成透光率不佳，但膜厚在小於100Å時，又常形成島狀非連續膜，而

使電阻率上升。因此金屬氧化物薄膜便取代薄金屬膜成為主流。而現

今業界較常採用之透明導電膜為氧化銦錫ITO，但銦 ( In )具有毒

性，且靶材昂貴及其於高溫運用上的不穩定，故現在大都以氧化鋅-

鋁 薄膜取代之。氧化鋅薄膜為2-6族半導體，其結構為 hexagonal

wurtzite ，屬於六方最密堆積，如下圖所示，熔點為1975oc，其光

學能隙寬度為3.3ev ，大於可見光的能量，使得ZnO膜獲得可見光區

的高透光度，並在高能量如紫外線.X-ray的激發之下，可放出特殊波

長( 藍~綠 ) 的螢光，更有良好的發光效率。而在未摻雜的純氧化鋅

薄膜，其電子傳導是由化學計量比的偏差產生的，由本質缺陷

( native defect),氧空缺( oxygen vacancies ,Vo)及間隙型鋅原子

( intersritial zinc ,Zni )之淺層受體能階( shallow donor levels)

提供。其電阻值相當高，具壓電效應，傳統上多應用於壓電材料方面。

在光電材料方面，在導電玻璃的應用上，為了改善它的導電率，一般

摻雜鋁，鎵，銦等雜質，其導電性性會大大的提升。光依人類視覺來

定義可區分為可見光與不可見光，人類肉眼所能檢視的可見光波長區

域為0.39µm-0.77µm，圖2-3 為電磁光譜圖[18]，定義出光的特性。

紫外光區涵蓋的波長範圍，從0.01µm到0.4µm， 而紅外光區涵蓋的波

長範圍， 則是從0.7µm 到1000µm，光子能量。若欲將波長轉換成所

對應的光子能量，可用以下關係式：

mevhvc

hcc μνν

λ)(

24.1===

其中c 是光在真空中速度，h 是普朗克常數，而h 則是一個光子的能

量，單位是電子伏特(eV)。從發現ZnO 的發光性質以來，在ZnO 中有

多種不同的發射能帶被發表，如紫外光(UV)-3.3eV、綠光

(green)-2.4eV、橘光(orange)-1.97eV、近紅外光(Near

IR)-1.62eV。除了UV 屬於本質發光外，其他都和電子藉由雜質能階

躍遷有關。因此，了解這些缺陷的形成原因及其發光機制對於發

展螢光材料就變得非常重要。目前ZnO 的發光特性被研究的大

部份為紫外光和綠光，也因其發光機制及發光中心的不同，因而

產生了光的變化。氧空缺(oxygen vacancies, Vo)[7,37,38]及間隙

型鋅原子(interstitial zinc, Zni)最常在氧化鋅薄膜中被討論，因

此各種不同的機制一直被不停的討論著。螢光發光(luminescence)

即在物質中之電子從其他方向吸收能量，並將其轉變為位能之型態儲

存，不經過震動，而以輻射方式在結合過程回到基態時，釋放能量而

發光，這種發光稱為螢光，在基態時於A 點位置，受激發(excitation)

後跳至B 位置之能階，而至C 時穩定，當要回到D 點基態時，開始發

光(emission)。而整個螢光發光之過程由基態構造→受激光→達激光

穩定態→發光後再回到基態；此發光時程在千分之一秒(1ms)內完成。

圖 一

1-3.薄膜成長機制

薄膜的成長是一連串的複雜的過程所構成的。首先到達基板的原子必

須將緃向動量發散，原子才能"吸附"( adsorption ) 在基板上。這

些原子會在基板表面發生形成薄膜所須要的化學反應。所形成的薄膜

構成原子會在基板表面作擴散運動，這個現象稱為吸附原子的" 表面

遷徙 " ( surface migration )。當原子彼此相互碰撞時結合而形成

子團過程，稱為"成核" ( nucleation)。原子團必須達到一定的大小

之後，才能持續不斷穩定成長。因此小原子團會傾向彼上聚合以形成

一較大的原子團以調降整體能量。原子團的不斷成長會形成"核島

"( island )核島之間的縫隙須要填補原子才能使核島彼上接合而形

成整個連續的薄膜。而無法與基板鍵結的原子則會由基板表面脫離而

成為自由原子，這個步驟稱為原子的"吸解" ( desorption )。PVD 與

CVD 的差別在於，PVD 的吸附與吸解是物理性的附與吸解作用，而 CVD

的吸附與吸解則題化學性的吸附與吸解反應。薄膜成長機制如下圖所

示，可分為以下幾個步驟：

1. 長晶(nucleation)；

2. 晶粒成長(grain growth)；

3. 晶粒聚結(coalescence)；

4. 縫道填補(fitting of channels)；

5. 沉積膜成長(film growth)

圖 二

第二章 蒸鍍機原理與構造

2-1 熱蒸鍍機原理

蒸鍍是在高真空狀況下，將所要蒸鍍的材料利用阻或電子束加熱達到

熔化溫度，使原子蒸發，並達到附著在基板表面上的一種鍍膜技術。

在蒸鍍的過程，基板溫度對蒸鍍薄膜的特質會有很重要的影響。通常

基也須要適當加熱，使得蒸鍍原子具有足夠的能量，可以在基板表面

自由移動，如此才能形成均勺的薄膜。基板加熱至 150oC以上時，可

以使沈積膜與基板間形成良好的鍵結而不致剝落。

在熱蒸鍍系統中，是以電流通過鎢舟形成高熱，此時放至於烏鎢中的

鈀材(本實驗中為氧化鋅和鋁)將被加熱氣化蒸發，並且凝結於基板表

面形成薄膜。

不論要蒸著的材料為何或使用的設備為何，下列的真空蒸著程序

是典型的：

1.自晶圓上除去所有污染物，在乾燥之。

2.將晶圓放入真空室中適當位置以得到均勻膜。

3.關上真空室，粗抽至 10-3torr。

4.打開高真空唧筒閥，並抽至所要的真空程度

5.打開鵭舟電流源，將材料源與晶圓間的遮板放下，將把材加熱至

融化，並等待數分鐘，待鈀材上的汙染物大莫蒸發完。

6.打開遮板，調整電流大小，使蒸鍍速率到達所需要求(電流越大

越快)。最佳鍍膜速率為 1Å/sec

7.待晶圓上的薄膜到達所需厚度時，關掉電流源，等待晶圓冷卻至

室溫。

8.破真空，以惰性氣體充填真空室，打開真空腔取出晶圓。

圖 三

圖 四

2-2 膜厚監視器 – 石英振盪器

工作原理介紹 : 鍍膜過程中，質量的增加會使石英的振盪頻率產生

變化，配合自行輸入的參數，可將變化的頻率值換算成動態鍍膜速率

及累積的膜厚值。

2-3 真空系統

常見的真空系統，是一個真空腔配備了一個擴散幫浦，Rotary pump

以及閥門等等。目前腔體是在大氣狀態之下，若要進行抽真則其操作

程序如下 :

1.先將擴散幫浦的加熱器打開，同時打開冷卻水，冷卻擴散幫浦

的上半部此時擴散幫浦與 Rotary pump 之間的閥門（Foreline

Valve）是打開的。

2.等到擴散幫浦夠熱了，暫時關閉擴散幫浦 Rotary pump 之間的

閥門然後打開 Rotary pump 與腔體之間的閥門（Roughing

Valve）。讓 Rotary pump 對腔體進行粗抽。此處要特別注腔體與

擴散幫浦的高真空閥（U-VAC valve）是關閉的。

3.等到腔體的壓力降到１０－２

Torr 之後，關閉roughing valve

然後再打開foreline valve ，此時將液態氮加入cold trap 內，

等一切就緒，再打開U-VAC valve ，如此一來腔體便可以被抽到

高真空的要求了。

第三章製程步驟

３．製程步驟

3-1.玻璃基板裁切

在本實驗中，我們使用美國康寧公司所生產的 1737F 的玻璃基

板。將原為 5 X 5 cm 的玻璃基板裁切成 1.66 X 5 cm。如下圖所

示。

圖五

3-2.基板清洗。

１． 浸泡丙酮，加以超音波震盪 10 min

２． 浸泡異丙醇，加以超音波震盪 10 min

３． 浸泡硫酸，超音波震盪 10 min

４． 浸泡 RO 逆滲透水，超音波震盪 10 min

５． 氮氣噴吹

3-3.蒸鍍

1. 將蒸鍍機打開，進行粗抽。待至 ready 燈亮，進行細抽。

2. 待抽至 10-4torr，準備進行蒸鍍。

3. 將鵭舟通過適當電流大小，使靶材預熔。打開擋板開始蒸鍍。

依所需之情況蒸鍍靶材於基板上。

4. 蒸鍍完畢後，靜待蒸鍍腔降溫至室溫後，破真空，取出晶片。

再將蒸鍍腔進行粗抽，以維持蒸鍍腔內的清潔。

圖 六

圖 七

3-4.退火

1.回復(Recovery): 物體回火溫度較低時，因熱能提供的能量

僅足讓缺陷進行分佈重整達較穩定狀態，但對晶粒結構無法產

生變化。所以對物體內應力，只能做些微調降，且影響物體的

機械性質不大。

2.再結晶(Recrystallization): 若回火溫度調高，使物體內缺

陷得因原子結構重排而降低，進而產生 Dislocation Free 缺陷

的晶粒。經再結晶後，物體內應力因差排及缺陷密度的降低而

急遽下降。

3.晶粒成長(Grain Growth): 若溫度再升高，使再結晶階段所

形成的晶粒有足夠能量克服晶粒間的 Surface Energy 時，晶粒

將開始在消耗小晶粒的過程中成長壯大。隨著晶粒邊界等面缺

陷消失(因晶粒成長，會使小晶粒的晶粒邊界消除，以便加以合

併)，物體內應力將進一步降低。整個退火製程的速率，取決於

進行退火的溫度。溫度愈高，物體進行退火所需時間也愈短。

退火製程目的，是要消除物體因內應力或外來因素(Implant)所

導致的缺陷，使物體結構得以重整。在 VLSI 半導體製程上的應

用，也就集中在一些需要做材質結構重整步驟上。如: Silicide

退火及晶片進行晶格位置重排，以降低材料內的 Defect

Density。主要的缺陷有 Grain Boumdary ，主要的缺陷有 Grain

Boumdary ，Dislocation 及 Point Defects 等。半導體材料是

一種電子元件的應用，因此只要材料或薄膜所承受的應力不會

導致晶片變曲或薄膜 Peeling，基本上並不注意它的強弱。但

是，因為材料的缺陷或結構會影響其本身的電性，因此退火在

半導體製程上的應用，主要在恢復或改善材料電子性質。主要

退火製程有後離子植入的退火及金屬矽化物的退火等。

3-5.材料分析

1.光學量測-拉曼光譜儀量測

2.物性量測-

a. 微結構分析

1. XRD (X-ray 繞射)

2. SEM (掃描式電子顯微鏡)

b. 成份分析

1. AES(歐傑電子分析儀)

4. 氧化鋅摻雜鋁於蕭特基二極體應用

4-1 蕭特基二極體

為一金屬-半討體接觸之元件，藉由金屬和半導體接觸後產

生的能障，使得蕭特基二極體具有整流特性，蕭基二極體之

兩大特點為：速度快與低電壓。蕭特基二極體的最大優點是

為一多數載子傳導半導體元件，其電荷傳輸僅利用半導體中

的多數載子，因為沒有少數載子聚集在接合處，不會產生雙

極性元件的少數載子儲存現象，所以不會造成時間上的延

遲，使的蕭特基二極體有著較佳的高頻響應。

通常順向偏壓之蕭基二極體上所跨之電壓大約為矽 PN

接合二極體的一半，所以蕭基二極體更接近於理想二極體。

磷化銦與砷化鎵為基板作比較，其具有較低的電子撞及游離

係數和較高的熱傳導係數、效率、累增崩潰，而且，磷化銦

相對於其他的半導體材料在低電場時具有較高的電子移動

率和較高的電子峰值速率。而銅具備低電阻和較優良的抗電

子遷移特性，銅在室溫時電阻係數僅為 1.7 微歐姆-公分在

金屬中僅次於銀，而高抗電子遷移可以使元件具有更高的壽

命及穩定性。

4-2.蕭特基接觸

當金屬與半導體接觸時，界面間會有內建電場形成，金屬內之電

子欲傳導至半導體時，會遭受一能障阻礙，此及蕭特基能障(Schottky

barrier)。

以 n 型半導體為例，理想狀況下能障高度 Bnqφ 即為金屬功函數與半導

體電子親和力間之差：

χφφ qqq mBn −=

在圖中半導體側，Vbi為電子由半導體導電帶上欲進入金屬時將看到的

內建電位。

nBnbi VV −= φ

qVn為導電帶之底部與費米能階間的距離。

如圖為n型矽與n形砷化鎵所測得的能障高度。需注意qψBn隨著

qψm升高而升高，然而依存性卻沒預測的這麼強。這是因為實際的蕭

特基二極體，由於在半導體表面的晶格中斷，產生大量位於禁止能隙

的表面態位。這些表面態位可以充當施體或受體，而影響最終的能障

高度。

圖為不同偏壓情況下，金屬在 n 型及 p 型半導體上的能帶圖。先探討

n 型半討體。當偏壓為零時如圖左側所示，能帶圖楚於熱平衡的情況

下，兩種材料具有相同的費米能階。如果我們施加順向偏壓，如圖左

側所示，則半導體到金屬之能障高度將變小，使的電子變的容易由半

導體進入金屬。而如果施加逆向電壓，將使能障提高，如圖左側所示。

對電子而言，要從半導體進入金屬將更為困難。對 p 型半導體而言，

可以獲得相似的結果，不過極性相反。

圖 十

圖 十一

4-3.蕭特基接觸 I-V 特性原理

蕭特基二極體電流傳導主要由多數載子所決定，對金屬/n型半導

體二極體而言，電流主要為半導體側熱離子放射出之載子，越過半導

体與金屬間之Vbi能障所構成。

蕭特基接觸的 I-V 特性，由熱離子發射模型描述

]1)/[exp( −= nkTJJ s qV

]1)/)[exp(/exp(2* −−= nkTqVkTqTA bφ

)/)[exp(/exp(2 −= nkTkTA φ* − qVqT b ]1

其中 J：電流密度

Js：飽和電流密度

V ：偏壓

n ：理想因子

A*：有效李察遜常數

q：電荷

k：波茲曼常數(Boltzman constant)

T：絕對溫度

：蕭特基能障 bφ

如圖 2.4，若將 ln(J)對 V 作圖，可得一直線，由斜率得到理想因子

n

)](ln// JdkTqn = dV[

能障高度 可藉由 ln(J)對 V 圖中，當 V=0，特性曲線之交點得到的

Js 求得。

bφ

sb J

TAq

kT 2*ln=φ

參考文獻

1. 施敏，＂半導體元件物理與製作技術＂，國立交通大學

出版社 340~352，(2002)

2. Hong Xiao，＂半導體製程技術導論＂學銘圖書有限公

司、歐亞書局有限公司，460，(2002)

3. 郭益男，＂反應性射頻磁控濺鍍氧化鋅薄膜之光激發光特性之

研究“ 國立中山大學電機工程學系。

4. 張坤榮，＂摻雜鋁於氧化鋅透明導電膜之光特性與電特性研

究＂，國立中央大學光電科學系。

5. 黃琇澤，＂以反應濺鍍法製備氧化鋅薄膜與摻雜鋁之研究＂，國

立中山大學材料科學與工程研究所。